C++の性能を限界まで引き出す！SIMD組み込み関数入門

2025年8月27日

C++で最高のパフォーマンスを追求する際、コンパイラの最適化だけでは到達できない領域があります。そのような場面で強力な武器となるのが、CPUの機能を直接叩く**「組み込み関数（Intrinsic Functions）」**です。

この記事では、組み込み関数とは何か、そしてその代表的な活用例であるSIMDによる並列処理を、具体的なC++コードを交えながら分かりやすく解説していきます。

組み込み関数（Intrinsic Functions）とは？

組み込み関数とは、一見すると通常の関数と同じように呼び出せる特別な関数です。しかし、その実体は関数呼び出しではなく、コンパイラが解釈して特定のCPU命令（アセンブリコード）に直接変換します。

これにより、以下のようなメリットが生まれます。

CPU固有機能の利用: C++の標準機能だけでは記述が困難な、CPUアーキテクチャ固有の高度な命令（例: SIMD命令、特定の暗号化命令など）をコード内から利用できます。
オーバーヘッドの削減: 通常の関数呼び出しに伴うスタックへの引数の受け渡しなどのオーバーヘッドが発生しないため、非常に高速に動作します。

一方で、特定のCPUアーキテクチャに依存するため、コードの移植性が失われるという側面もあります。そのため、汎用的なコードではなく、パフォーマンスが最重要視される特定の処理に限定して使用するのが一般的です。

SIMDで処理を並列化する

組み込み関数が特に活躍する分野が**SIMD（Single Instruction, Multiple Data）**です。

SIMDとは、その名の通り**「一つの命令で、複数のデータを同時に処理する」**技術です。例えば、4つの足し算を順番に4回行うのではなく、「4つの数値ペアの足し算を一度に行え」という命令を実行できます。

これにより、特に画像処理や音声処理、物理シミュレーションといった、大量のデータに対して同じ計算を繰り返し行う処理を劇的に高速化できます。IntelやAMDのモダンなCPUには、SSEやAVXといったSIMD命令セットが搭載されており、組み込み関数を通じてこれらの機能を活用します。

サンプルコードで学ぶSIMD演算

それでは、実際にIntelのSSE命令セットを使ったSIMD演算のコードを見てみましょう。ここでは、4つの商品の「単価」と「数量」のデータから、それぞれの「小計」を一度の乗算命令で計算する例を示します。

#include <iostream>
#include <emmintrin.h> // SSE2の組み込み関数を使用するために必要

int main() {
    // __m128型は、4つの単精度浮動小数点数(float)を格納できる128ビットのデータ型
    
    // 4つの商品の単価を格納 (A, B, C, D)
    // {未使用, 商品Cの単価, 商品Bの単価, 商品Aの単価} の順で格納
    __m128 unit_prices = {0.0f, 150.0f, 980.0f, 1200.0f};

    // 4つの商品の数量を格納
    // {未使用, 商品Cの数量, 商品Bの数量, 商品Aの数量} の順で格納
    __m128 quantities = {0.0f, 3.0f, 1.0f, 2.0f};

    // _mm_mul_ps: 4つのfloat値の乗算を並列実行(Packed Single-precision)
    // 4商品分の「単価 x 数量」の計算が、この一つの命令で実行される
    __m128 subtotals = _mm_mul_ps(unit_prices, quantities);

    // 結果を通常のfloat配列として取り出して表示
    // __m128型は直接 subtotals[i] のようにアクセスできないため、一度変換する
    float* results = reinterpret_cast<float*>(&subtotals);

    std::cout << "Product A subtotal: " << results[0] << std::endl; // 1200.0 * 2.0 = 2400.0
    std::cout << "Product B subtotal: " << results[1] << std::endl; // 980.0 * 1.0 = 980.0
    std::cout << "Product C subtotal: " << results[2] << std::endl; // 150.0 * 3.0 = 450.0
    
    // results[3]は未使用領域（0.0f * 0.0f）なので表示しない

    return 0;
}

コードのポイント解説

#include <emmintrin.h> IntelのSIMD命令セットの一つであるSSE2を使うためのヘッダファイルです。より新しいAVXなどを使いたい場合は<immintrin.h>をインクルードします。
__m128 型 これはSIMD処理のための特別なデータ型で、内部に4つのfloatを保持することができます。データをメモリに格納する際は、少し直感的でない順序（コードのコメント参照）になる点に注意が必要です。
_mm_mul_ps() 関数 これが組み込み関数の本体です。_mmで始まる名前はIntelの組み込み関数であることを示し、mulは乗算、psは「Packed Single-precision（複数の単精度浮動小数点数）」を意味します。この一行が、コンパイルされるとCPUのMULPSという単一のSIMD命令に変換され、4組の乗算を一気に実行します。
reinterpret_cast SIMD演算後の結果は__m128型に入っているため、中身を個別に確認するにはfloatのポインタにキャストして、配列のようにアクセスします。